第二章 酸堿反應(yīng)在污染控制中的應(yīng)用

1、LOGO 第二章第二章 酸堿反應(yīng)在污染控制中的應(yīng)用酸堿反應(yīng)在污染控制中的應(yīng)用Email:2.1 2.1 酸、堿反應(yīng)原理酸、堿反應(yīng)原理 一、什么是酸、堿一、什么是酸、堿1. 電離理論電離理論 1884年，瑞典化學(xué)家阿侖尼烏斯年，瑞典化學(xué)家阿侖尼烏斯(S.A.Arrhenius)根據(jù)電解根據(jù)電解質(zhì)的電離理論，提出了第一個酸堿理論質(zhì)的電離理論，提出了第一個酸堿理論:酸是在水溶液中經(jīng)酸是在水溶液中經(jīng)電離只生成電離只生成H+一種陽離子的物質(zhì)；堿是在水溶液中只生成一種陽離子的物質(zhì)；堿是在水溶液中只生成OH-一種陰離子的物質(zhì)。酸與減中和反應(yīng)的本質(zhì)是一種陰離子的物質(zhì)。酸與減中和反應(yīng)的本質(zhì)是H+和和OH-化合生

2、成化合生成H2O。2. 質(zhì)子理論；勃朗斯特質(zhì)子理論；勃朗斯特(J.N.BronMed)和勞萊和勞萊(T.M.Lowry)能給出質(zhì)子的是酸，能接受質(zhì)子的是堿。能給出質(zhì)子的是酸，能接受質(zhì)子的是堿。二、酸堿反應(yīng)實質(zhì) 質(zhì)子轉(zhuǎn)移：兩個共軛酸堿對相互作用，質(zhì)子從一種酸轉(zhuǎn)移到另一種堿的過程。三、酸度、堿度1、酸堿性：pH表示2、酸的濃度（酸的分析濃度）：1升溶液中所含某種酸的摩爾數(shù)，即酸的總濃度，包括未理解酸的濃度和已離解的酸的濃度。3 3、酸度、酸度 酸度指水中能與強(qiáng)堿發(fā)生中和作用的物質(zhì)的總量，即放出H+ 或經(jīng)過水體能產(chǎn)生H+的物質(zhì)的總量。AG=lgC(H+)/C(OH-) 酸度組成：酸度組成：強(qiáng)酸，如H

3、Cl、HNO3、H2SO4；弱酸，如H2CO3；強(qiáng)酸弱堿鹽，如FeCl3。酸度分類：酸度分類：無極酸度：以甲基橙變色pH4.3為指示劑測得的酸度。游離CO2酸度：以酚酞變色pH8.3為指示劑測得的酸度?？偹岫龋旱味ㄖ羛H10.8時所測得的酸度。酸度計算：酸度計算：無機(jī)酸度=H+-HCO3-2CO32-OH-游離CO2酸度=H+H2CO3*-CO32-OH-總酸度=H+HCO3- 2 H2CO3*-OH-酸度單位：mmol/L；H2CO3*包含溶解的CO2和H2CO3。4 4、堿度、堿度堿度是指是表征水吸收質(zhì)子的能力的參數(shù)，通常用水中所含能與 強(qiáng)酸定量作用的物質(zhì)總量來標(biāo)定。這類物質(zhì)包括強(qiáng)堿、弱堿

4、、強(qiáng)堿弱酸鹽等。當(dāng)?shù)味ㄖ练犹甘緞┯杉t色變?yōu)闊o色時，溶液pH值即為 8.3，指示水中氫氧根(0H-)已被中和，碳酸鹽均被轉(zhuǎn)化為重碳酸鹽，此時的滴定結(jié)果稱為 “酚酞堿度”。當(dāng)?shù)味ㄖ良谆扔牲S色變?yōu)槌燃t色時，溶液的pH值為4.4-4.5，指示水中的重碳酸鹽(包括原有的和由碳酸鹽轉(zhuǎn)化成的)已被中和，此時的滴定結(jié)果稱為“總堿度”。 5、中和法利用堿性藥劑或酸性藥劑將廢水從酸性或堿性調(diào)整到中性附 近的一類處理方法。在工業(yè)廢水處理中，中和處理既可以作為主要的處理單元，也可以作為預(yù)處理。此外，還有一種與中和處理法相類似的處理操作，就是為了某種需要，將廢水的pH值調(diào)整到某一特定值(范圍)，這種處理操作叫pH調(diào)

5、節(jié)。若將pH值由中性或酸性調(diào)至堿性，稱為堿化；若將pH值由中性或堿性調(diào)至酸性，稱為酸化。 6 6、不同酸、不同酸( (堿堿) )含量工業(yè)廢水的處理方法含量工業(yè)廢水的處理方法（1）廢酸液和廢堿液 酸含量大于510%的高濃度含酸廢水，常稱為廢酸液；堿含量大于35%的高濃度含堿廢水，常稱為廢堿液。 對于這類廢酸液、廢堿液，一般應(yīng)因地制宜地加以回收和利用，例如，用蒸發(fā)濃縮法回收苛性鈉；用擴(kuò)散滲析法回收鋼鐵酸洗廢液中的硫酸等。（2）酸性廢水和堿性廢水 對于酸含量小于510%或堿含量小于35%的低濃度酸性廢水或堿性廢水，由于其中酸、堿含量低，回收價值不大，常采用中和法處理，使其達(dá)到排放要求。 2.2.1

6、酸性廢水來源及特性 pH4.5 強(qiáng)酸性廢水 pH=4.5-6.5 弱酸性廢水來源鋼鐵廠、化工廠、冶煉廠、電鍍廠、礦山等 特性除含酸外，還含有各種有害物質(zhì)、重金屬及其鹽類；會腐蝕管道， 損壞農(nóng)作物，傷害魚類等水生物，污染土壤，危害人體健康。酸性廢水的成分包括：無機(jī)酸：硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸、磷酸等有機(jī)酸：醋酸、甲酸、檸檬酸等金屬鹽。2.2 2.2 酸性廢水中和處理酸性廢水中和處理2.2.2 酸性廢水處理1 回收利用2 投藥中和（1）常用的藥劑：藥劑中和法最常采用的堿性藥劑是石灰(CaO)，有時也選用苛性鈉、碳酸鈉、石灰石、白云石、電石渣等。選擇堿性藥劑時，不僅要考慮它本身的溶解性、反應(yīng)速度、成

7、本、二次污染、使用方便等因素，而且還要考慮中和產(chǎn)物的性狀、數(shù)量及處理費用等因素。當(dāng)投石灰進(jìn)行中和處理時，Ca(OH)2還有凝聚作用，因此對雜質(zhì)多、濃度高的酸性廢水尤其適宜。 （2）中和劑的投加量可按實驗繪制的中和曲線確定，也可根據(jù)水質(zhì)分析資料，按中和反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系確定。 )(2211acacKQGa Q廢水量，m3d；Cl， C2 廢水酸的濃度和酸性鹽的濃度，kgm3； a1 ，a2 中和每公斤酸和酸性鹽所需的堿性藥劑公斤數(shù)，即堿性藥劑比耗量kgkg；K考慮到反應(yīng)不均，部分堿性藥劑不能參加反應(yīng)的加大系數(shù)。如用石灰法中和硫酸時，取1.05l.10(濕投)或1.41.5(干投)；中和硝酸和鹽酸

8、時，取1.05； 堿性藥劑的純度，%。 中和產(chǎn)生的沉渣量(干基)G(kgd)可按下式計算 ：)()(dcSQeGGa 消耗單位重量藥劑所生成的難溶鹽及金屬氫氧化物量，消耗單位重量藥劑所生成的難溶鹽及金屬氫氧化物量，kgkg；e單位重量藥劑中雜質(zhì)含量，單位重量藥劑中雜質(zhì)含量，kgkg；c中和后溶于廢水中的鹽量，中和后溶于廢水中的鹽量， kgm3；S中和前廢水中懸浮物含量，中和前廢水中懸浮物含量，kgm3；d中和后出水挾走的懸浮物含量，中和后出水挾走的懸浮物含量，kgm3。 投藥中和法的工藝過程主要包括：廢水的預(yù)處理；藥劑的制備與投配；混合與反應(yīng)；中和產(chǎn)物的分離；泥渣的處理與利用。廢水的預(yù)處理包括

9、懸浮雜質(zhì)的澄清，水質(zhì)及水量的均和。前者可以減少投藥量，后者可以創(chuàng)造穩(wěn)定的處理條件。 消耗藥劑產(chǎn)生的沉渣量中和后懸浮物的沉渣量 （3 3）投加方式）投加方式投加石灰有干法和濕法兩種方式。干投法設(shè)備簡單，藥劑的制備與投配容易，但反應(yīng)緩慢，中和藥劑耗用量大(約為理論用量的1.4.5倍)。 石灰干投法示意圖 濕法即將生石灰在消解槽內(nèi)消解為濃度4050%的乳液，排入石灰乳貯槽，并配成濃度為510%的工作液，然后投加。 （1）消解槽 石灰用量1t/d：采用機(jī)械方法消解。 ？可否用空氣攪拌 式中：Ga石灰消耗量，t/d； r石灰的容重，0.91.1t/m3； C石灰乳濃度，（510）%； n每天攪拌次數(shù)。)

10、m(rcn100GV32溶液槽：（2）石灰乳貯槽 消解后石灰乳排至貯槽，配制成510，其有效容積V2（m3）（3）投配系統(tǒng) 溢流循環(huán)方式輸運到投配槽中的量大于投加量，剩余量沿溢流管流回乳貯槽，這樣可維持投配槽內(nèi)液面穩(wěn)定不變，投加量只由孔口或閥門開度大小控制，還可以防止沉淀和堵塞。 混合反應(yīng)池：應(yīng)用廣泛的是帶攪拌的混合反應(yīng)池。中和反應(yīng)較快，廢水與藥劑邊混合，邊中和，池中常設(shè)置隔板將其分成多室，以利混合反應(yīng)，稱隔板混合反應(yīng)池。反應(yīng)池的容積通常按520min的停留時間設(shè)計。 投藥中和法的優(yōu)點是可處理任何濃度、任何性質(zhì)的酸性廢水；廢水中容許有較多的懸浮雜質(zhì)，對水質(zhì)、水量的波動適應(yīng)性強(qiáng)；并且中和劑利用率

11、高，中和過程容易調(diào)節(jié)。存在的缺點是勞動條件差，藥劑配制及投加設(shè)備較多，基建投資大，泥渣多且脫水難。 （4）特點3.3.過濾中和法過濾中和法 酸性廢水流過堿性濾料形成的濾床時，可使廢水中和，這種中和方式叫過濾中和法。 主要的堿性濾料有三種：石灰石、大理石、白云石。前兩種的主要成分是CaCO3，后一種的主要成分是CaCO3MgCO3。處理特點：操作簡便、運行費用低、勞動條件好、沉渣少，只有廢水體積的0.1%；缺點是進(jìn)入酸的濃度受到限制，若是HCl、HNO3濃度20g/L；若是H2SO4濃度=1m，長度約為直徑的67倍。滾筒轉(zhuǎn)速約每分鐘10轉(zhuǎn)。濾料的粒徑較大(達(dá)十幾毫米)，裝料體積約占轉(zhuǎn)筒體積的一半

12、；優(yōu)點：進(jìn)水的硫酸濃度可以很大，濾料粒徑卻不必破碎得很小。缺點：負(fù)荷率低、構(gòu)造復(fù)雜、動力費高、噪音大，同時對設(shè)備材料的耐蝕性能要求高。 （1）酸性廢水與堿性廢水的中和處理-在同時存在酸性廢水和堿性廢水的情況下，可以以廢治廢，互相中和。 l 中和時，若堿性不足，應(yīng)補(bǔ)充藥劑；若堿量過剩，則應(yīng)補(bǔ)充酸中和堿。l 廢水的水量和濃度均難于保持穩(wěn)定，故應(yīng)設(shè)置均和池及混和反應(yīng)池(中和池)。如果混合水需要水泵提升，或者有相當(dāng)長的出水溝管可資利用，也可不設(shè)混合反應(yīng)池。（2）利用堿性廢渣中和酸性廢水例如，軟水站石灰軟化法的廢渣中含有大量CaCO3、鍋爐灰中含有220的CaO，利用它們處理酸性廢水，均能獲得一定的中和

13、效果。 4 4 利用堿性廢水和廢渣的中和法利用堿性廢水和廢渣的中和法5 利用天然水體及土境中堿度的中和法 天然水體及土壤中的重碳酸鹽可用來中和酸性廢水，如：天然水體及土壤中的重碳酸鹽可用來中和酸性廢水，如： Ca(HCO3)2+H2SO4CaSO4+2H2O+2CO2 利用土壤及天然水體中和酸性廢水，必須持慎重態(tài)度。允許利用土壤及天然水體中和酸性廢水，必須持慎重態(tài)度。允許排入水體的酸性廢水量，應(yīng)根據(jù)水體的中和能力來確定。排入水體的酸性廢水量，應(yīng)根據(jù)水體的中和能力來確定。在天然水體的在天然水體的pHpH值為值為7 7左右時，左右時，COCO3 32-2-的量可忽略，只考慮一級解離平衡：的量可忽略

14、，只考慮一級解離平衡：(5) 則水體則水體pH值為，值為， 由于水體允許的由于水體允許的pH界限值為界限值為6.5，則水體中游離，則水體中游離CO2的極限濃度的極限濃度H2CO3或或CO2可由下式求出：可由下式求出： 則則若已知天然水體中的若已知天然水體中的HCO3，并換算成相當(dāng)?shù)?，并換算成相當(dāng)?shù)腃O2量量A(mgL)；游離；游離CO2含量為含量為B(mgL)。設(shè)允許水中重碳酸鹽用于中和酸性廢水析出的設(shè)允許水中重碳酸鹽用于中和酸性廢水析出的CO2極限量為極限量為x(mgL)，則：，則： (B+x)1.047(A-x)則則于是就可進(jìn)一步算出尤許排入水體的酸性廢水量。于是就可進(jìn)一步算出尤許排入水體

15、的酸性廢水量。 2.3.1 堿性廢水來源 pH 9 1.印染廢水主要來自印染加工的各道工序，包括退漿廢水，煮練廢水，漂白廢水，絲光廢水， 染色廢水，印花廢水，整理廢水，其特征P23,表2-1.2.造紙廢水造紙工業(yè)用水多，消耗一定量的堿、硫化物、氯化物等化學(xué)藥品，污染嚴(yán)重的輕工業(yè)造紙廢水特點：耗氧量高，懸浮顆粒物高，含有毒物，堿性高，廢水量大。 2.3 2.3 堿性廢水中和處理堿性廢水中和處理堿性廢水的成分：苛性鈉、碳酸鈉、硫化鈉及胺類等。 （1）蒸煮廢液原料+堿液 蒸煮 洗漿 紙漿 殘液：蒸煮廢液（黑液）（2）洗漿篩選廢水洗漿帶走的黑液約為總黑液20%左右，仍是黑色留在洗滌、篩選工段廢水中。（

16、3）漂白廢水特點：pH：6.57.5，氯化物多 pH: 10.9；SS: 5.5g/L；BOD5: 19000mg/L；揮發(fā)性固形物：38.5g/L；溶解性固形物：52.5g/L；COD: 45500mg/L；SS:2500mg/L2.3.2 堿性廢水處理1.1.酸性廢水與堿性廢水的中和處理酸性廢水與堿性廢水的中和處理在同時存在酸性廢水和堿性廢水的情況下，可以以廢治廢，互相中和。 2.2.藥劑中和法藥劑中和法常用硫酸、鹽酸及壓縮CO2。流程和投藥中和酸性廢水相同。其中工業(yè)硫酸價格較低，應(yīng)用較多，當(dāng)硫酸用量 10 kg/h，可直接用濃硫酸。3 3 煙道氣中和法煙道氣中和法裝置:噴林塔用CO2氣體

17、中和堿性廢水時，為使氣液充分接觸反應(yīng)，常采用逆流接觸的反應(yīng)塔(CO2氣體從塔底吹入，以微小氣泡上升；而廢水從塔頂噴淋而下)。用CO2做中和劑的優(yōu)點在于：由于pH值不會低于6左右，因此不需要pH值控制裝置。 煙道氣中含有高達(dá)24的CO2，有時還含有少量SO2及H2S，故可用來中和堿性廢水，其中和產(chǎn)物Na2CO3、 Na2SO4、Na2S均為弱酸強(qiáng)堿鹽，具有一定的堿性，因此酸性物質(zhì)必須超量供應(yīng)。優(yōu)點:處理效果良好，除塵，以廢治廢缺點:處理后的水色度,好氧量,硫話物都有增加.實例實例1 1：印染廢水處理：印染廢水處理（1）酸堿廢水互相中和不用投藥、設(shè)備簡單、管理方便、成本低廉（2）加酸中和法常用工業(yè)

18、硫酸和鹽酸，當(dāng)硫酸用量超過10kg/h時，可采用濃硫酸直接投配；當(dāng)硫酸用量較少時，先在調(diào)配槽內(nèi)把硫酸稀釋成5%10%濃度后再投用。（3）煙道氣中和法實例實例2 2：造紙廢水處理：造紙廢水處理（1）黑液蒸發(fā)預(yù)處理a.黑液氧化b.除硫、除塵等（2）黑液蒸發(fā)濃縮（3）干燥、燃燒過程（4）綠液苛化和石灰回收 黑液回收主要指堿、石灰和熱能的回收，其中堿回收，仍以燃燒法為主，其流程如下：2.4 pH調(diào)節(jié)法在重金屬廢水處理中的應(yīng)用為了某種需要，將廢水的pH值調(diào)整到某一特定值(范圍)，這種處理操作叫pH調(diào)節(jié)。若將pH值由中性或酸性調(diào)至堿性，稱為堿化；若將pH值由中性或堿性調(diào)至酸性，稱為酸化。中和沉淀法又稱氫氧

19、化物沉淀法，當(dāng)堿加入含重金屬廢水中時 其中的金屬陽離子以氫氧化物或鹽的形態(tài)沉淀析出 。2.4.1 廢水來源及處理方法來源:除汞以外的其他重金屬廢水主要來源于礦山、廢石場、造礦廠排水、有色金屬冶煉廠除塵廢水、有色金屬加工廠及鋼鐵工業(yè)的酸洗廢水、電鍍廠鍍件的洗滌水。處理方法：氫氧化物沉淀法、硫化物沉淀法、氧化還原法、離子交換法和鐵氧體法。2.4.2 氫氧化物沉淀法原理氫氧化物沉淀法是基于重金屬離子在一定的pH條件下，生成難溶于水的氫氧化物沉淀而得到分離。除少數(shù)堿金屬外，大多數(shù)金屬的氫氧化物都屬難溶化合物。其典型的沉淀反應(yīng)為： （1）相應(yīng)的金屬氫氧化物的溶度積為： （2）又從水的離解平衡知： （3）

20、于是可以得到金屬氫氧化物的如下關(guān)系： （4）式中Ksp金屬氫氧化物的溶度積； Kw水的離子積。由上式可知，在一定溫度下，金屬氫氧化物沉淀形成的pH值由該金屬離子的價態(tài)及其氫氧化物的溶度積決定。若規(guī)定 1molL時為開始沉淀， 105molL時為沉淀完全，則由上式可求出相應(yīng)于金屬氫氧化物開始沉淀和沉淀完全的pH值。2022-4-22金屬氫氧化物的溶解度與金屬氫氧化物的溶解度與pHpH值的關(guān)系圖值的關(guān)系圖 根據(jù)（4）式，以pH值為橫坐標(biāo)，以lgMn+為縱坐標(biāo)，繪出金屬離子的飽和濃度與pH值的關(guān)系圖 pHFe3+Al3+Cu2Zn2AgCa2-lgMn+Cd20 2 3 4 5 6 7 8 9 10

21、 11 12 13 0 1 2 3 4 5 6 7 8Mg2根據(jù)關(guān)系圖，可方便地確定金屬離子沉淀的條件。2022-4-22以Cu2+為例，若Cu2+0.1molL，則由圖上查出，使氫氧化銅開始沉淀出來的pH值應(yīng)為5.1；若欲使溶液殘余Cu2+濃度達(dá)10-5 molL，則沉淀終了的pH值應(yīng)為7.0。pHFe3+Al3+Cu2Zn2AgCa2-lgMn+Cd20 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130 1 2 3 4 5 6 7 8Mg2在實際廢水處理中，共存離子體系十分復(fù)雜，影響氫氧化物沉淀的因素很多，必須控制pH值，使其保持在最優(yōu)沉淀區(qū)域內(nèi)。對于具體廢水，最好通過試驗確定pH。用氫氧化物沉淀法分離廢水中的重金屬時，廢水的pH是操作控制的一個重要條件。對于一些兩性氫氧化物（如Zn 、Al、 Pb、 Cr、 Sn等的氫氧化物）的飽和溶液中，不僅存在游離態(tài)的金屬離子，也存在配位